[發(fā)明專利]共價(jià)鍵合的石墨烯涂層及其應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380033759.3
• 申請(qǐng)日: 2013-06-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104619632A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: L·李;W·黃;J·于
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 俄亥俄州立大學(xué)
• 主分類號(hào): B82Y30/00
• 分類號(hào): B82Y30/00;C01B31/04;H01L21/20
• 代理公司: 北京高文律師事務(wù)所 11359
• 代理人: 程義貴

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2012年6月25日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/690,373的優(yōu)先權(quán)益，所述美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)通過(guò)引用整體并入本文。

發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的示例性實(shí)施方案涉及通過(guò)石墨烯、氧化石墨烯或石墨粉末、微粒、薄膜或紙?jiān)诓缓諝獾沫h(huán)境中、在高溫下、在含有硅和/或金屬的化合物存在下的熱膨脹和浮動(dòng)在固體表面上涂覆石墨烯納米片，所述含有硅和/或金屬的化合物在這一過(guò)程中產(chǎn)生反應(yīng)性物類以在石墨烯納米片之間并且在石墨烯層與基底之間形成共價(jià)鍵。固體表面包括但不限于陶瓷、石英、玻璃、硅晶片、玻璃和石英纖維、金屬、金屬合金等。在高溫下，固體表面活化并且然后與反應(yīng)性物類反應(yīng)，從而與石墨烯形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵合的石墨烯涂層在固體表面上的存在使得非傳導(dǎo)性基底具有熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性，并且使得親水性表面成為疏水性的。這允許多個(gè)石墨烯層通過(guò)共價(jià)鍵強(qiáng)力結(jié)合在固體表面上，從而實(shí)現(xiàn)高溫穩(wěn)定性。所述涂層還提供優(yōu)良的抗腐蝕性、低表面摩擦以及有用的半導(dǎo)體和光學(xué)特性。通過(guò)調(diào)整石墨烯/氧化石墨烯/石墨、含有硅和金屬的化合物的含量和類型，可以調(diào)節(jié)上述涂層特性。本發(fā)明提供在電磁干擾屏蔽、抗腐蝕、表面摩擦減少、表面結(jié)合減少、電加熱方面以及作為半導(dǎo)體、太陽(yáng)能電池以及光學(xué)裝置的部件有用的物品和涂層。

發(fā)明背景

碳同素異形體包涵0-D富勒烯、1-D納米管、2-D石墨烯和3-D石墨以及金剛石，其中石墨烯因其獨(dú)特特征而尤其受關(guān)注。2-D石墨烯為由碳原子的六方結(jié)構(gòu)組成的單原子厚度的納米片，從而產(chǎn)生異常的電導(dǎo)性(8×105S/m)、高熱導(dǎo)性(約5300W?m^-1K^-1)、大表面積(>2600m²/g)、強(qiáng)機(jī)械特性(拉伸強(qiáng)度為130GPa并且楊氏模量為1TPa)、低摩擦系數(shù)以及優(yōu)良的抗腐蝕性。

石墨烯由石墨經(jīng)由氧化插入、剝離以及還原過(guò)程可能的低成本生產(chǎn)使得其為一種具有吸引力的、用于許多目的的導(dǎo)體。可實(shí)現(xiàn)石墨烯在聚合物基質(zhì)中的高度分散，但這對(duì)于陶瓷、玻璃、金屬以及半導(dǎo)體材料是不易取得的，因?yàn)檫@些材料在高于400℃的溫度下進(jìn)行處理，在這個(gè)溫度下石墨烯并不是熱穩(wěn)定的。因此，用石墨烯薄層涂覆那些固體的表面以獲得石墨烯的許多(如果并非全部)優(yōu)點(diǎn)是尤為重要的。

由于石墨烯表面是極具惰性的，因此個(gè)別石墨烯層可易于從多層堆疊上剝落，并且石墨烯層在固體表面上的直接涂覆要求使用經(jīng)常無(wú)法承受高溫的粘合劑。此外，粘合劑的存在可降低石墨烯的特性。

在本發(fā)明中，描述了一種在高溫下用石墨烯納米片涂覆固體表面的新型方法，其中石墨烯納米片從石墨、氧化石墨烯或石墨烯粉末、顆粒、薄膜或紙釋放，并且沉積在固體基底的表面上。在硅、金屬以及有時(shí)少量氧存在下，石墨烯納米片的邊緣碳原子可在其本身之間并且與陶瓷、玻璃、石英、硅晶片以及金屬中的硅和/或金屬原子形成共價(jià)鍵，如(-C-O-Si-)、(-C-Si-)、(-C-O-M-)和/或(-C-M-)。也不排除在基底面上形成的一些鍵。由于這一點(diǎn)，所涂覆的石墨烯納米片在其本身之間并且與固體基底具有強(qiáng)的鍵合性，其即便在空氣中也可承受高應(yīng)力和高溫。這種石墨烯涂層賦予固體獨(dú)特的特性，從而允許其有前景作為用于多種潛在應(yīng)用的具有吸引力的材料。

例如，大多數(shù)的有用的陶瓷、玻璃以及石英為電和熱絕緣體。為使其表面具有電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性，經(jīng)常涂布包含分散的貴金屬粉末例如鉑、金或銀以提供大小為1,000S/m的電導(dǎo)性的涂層。盡管成本高，仍在很大程度上使用貴金屬，因?yàn)榉琴F金屬粉末如銅、鎳或鋁易于形成高電阻的表面氧化物。貴金屬的費(fèi)用和使用非貴金屬粉末的缺點(diǎn)促使研究人員尋求替代方法。本發(fā)明的共價(jià)鍵合的石墨烯涂層用作優(yōu)良的解決方案。

鑒于其高電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性、高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的酸堿耐受性、低摩擦、高疏水性、可調(diào)半導(dǎo)體和光學(xué)特性，以及石墨烯納米片之間和石墨烯與陶瓷、玻璃以及石英之間的強(qiáng)鍵合性，陶瓷、玻璃以及石英的共價(jià)鍵合的石墨烯涂層進(jìn)可發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用。例如，經(jīng)常使能量轉(zhuǎn)換裝置的集電器暴露至極具腐蝕性的環(huán)境。由于嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，許多金屬對(duì)于所述用途來(lái)說(shuō)是不實(shí)際的。陶瓷、玻璃以及石英的共價(jià)鍵合的石墨烯涂層是一種有希望的替代方案。

另一實(shí)例是應(yīng)用于微電子封裝的散熱系統(tǒng)。隨著處理器的速度增大，所產(chǎn)生的熱量將急劇增加。因此，應(yīng)用高熱導(dǎo)性的材料對(duì)于在緊湊封裝系統(tǒng)中進(jìn)行熱管理是必要的。由于石墨烯具有極高的熱導(dǎo)性，因此可在其中使用石墨烯涂覆的固體。